Energ. Environ. Sci.：高分散分子级CNTs/Cu2Se杂化材料具备超高热电性能

【引言】

热电技术作为一种有望解决全球能源危机、减少温室气体排放的绿色环保方法，受到了人们的密切关注。如何实现热电材料的热电优值（zT）最大化，是目前面临的最大挑战。在过去20年里，研究学者尝试在单相混合物或多相复合材料中引入纳米或微米级的杂质，来达到优化热电优值的目的，其中，构造纳米结构能够最为有效地提高热电材料的zT，但纳米级的杂质极易团聚，导致传统复合材料的热电性能无法得到有效提高。然而，含两种纳米或分子尺度组分（有机物和无机物）的混合材料不同于传统热电材料，前者更注重向有机导电聚合物中引入少量的无机杂质，以得到超越基体材料的性能特征。但常用的湿化学方法易引入非目标杂质，降低材料的热电性能，尤其是对氧气和水敏感的材料。因此，研发一种只引入目标相有机杂质的杂化热电材料合成工艺在目前极为迫切。

【成果简介】

近日，中国科学院上海硅酸盐研究所陈立东教授、史迅教授和美国西北大学材料系Jeffrey Snyder教授（共同通讯作者）在Energ. Environ. Sci.上发表了一篇名为“Ultrahigh thermoelectric performance in Cu2Se-based hybrid materials with highly dispersed molecular CNTs”的文章，研究人员通过利用金属Cu和多壁CNTs间特殊的化学相互作用力，成功实现了在CNTs表面原位生长Cu₂Se纳米晶，并组装成一系列的Cu₂Se/CNTs杂化材料。Cu₂Se晶界内部高度单分散的分子级CNTs，大大降低了晶格热导率和载流子浓度，从而使热电优值在1000 k时达到2.4，这是一个创纪录的提升。

【图文导读】

图一Cu₂Se/CNTs杂化材料的性能测试与合成机制

(a)体系总能量与Cu原子-CNT垂直距离d之间的函数关系图，右侧插图为当d=1.83Å时的电荷密度；

(b) 不同CNTs含量的Cu₂Se/xwt% CNTs杂化材料的热电优值与温度的关系（x=0,0.25,0.5,0.75）；

(c) Cu₂Se/CNTs杂化材料的合成过程与生长机制。

图二Cu₂S晶界内部密集分散的CNTs的形貌结构分析

(a) CNTs的低倍TEM图像；

(b) CNTs的低倍HAADF图像；

(c) Cu₂Se晶界中CNTs的高倍图像;

(d,e) 沿CNTs管径方向的高倍图像（内部是(e)中标记区域对应的FFT模型）。

图三不同CNTs含量的Cu₂Se/xwt% CNTs杂化材料的相关参数与温度的变化关系（x=0,0.25,0.5,0.75）

(a) 赛尔贝克系数S与温度的变化关系曲线；

(b) 电导率σ与温度的变化关系曲线；

(c) 功率系数PF与温度的变化关系曲线；

(d) 热导率κ与温度的变化关系曲线。

图四Cu₂Se/CNTs杂化材料的工作机理及相关参数测试分析

(a) Cu₂Se/0.75 wt% CNTs在STEM中收集到的球面像差图像，右侧：Cu₂Se/CNTs杂化材料的空穴和声子传导示意图；

(b) 450K时，不同CNTs含量的Cu₂Se/xwt% CNTs杂化材料的热导率图谱（x=0,0.25,0.5,0.75）；

(c) 300K时，不同CNTs含量的Cu₂Se/xwt% CNTs杂化材料的空穴浓度p和霍尔迁移率μ_H图谱（x=0,0.25,0.5,0.75）；

(d) Cu₂Se/CNTs杂化材料界面区域的完全耗尽层示意图（蓝色区域）。

图五不同CNTs含量的Cu₂Se/xwt% CNTs杂化材料的性能参数测试分析

(a) 不同CNTs含量的Cu₂Se/xwt% CNTs杂化材料的纵向和横向声速测试；

(b) 300K时Cu₂Se基材料的载流子迁移率随载流子浓度变化的函数关系图。

【小结】

本文示范性地证明了金属Cu和多壁CNTs间化学相互作用力的可利用性，从而合成具有单分散分子级CNTs的Cu₂Se/CNTs杂化材料。这种材料具有特殊的热、电传输性能和远高于传统混合材料的热电性能，说明在纳米或分子水平进行有机/无机杂化的方法在热电领域具有重要意义。除金属Cu外，如Ag、Ti、Ni、Pd、Pt等金属与CNTs或其他炭基材料（石墨、石墨烯）都有良好的化学键相互作用力。因此，研究人员期望未来的研究能拓展到合成含有这些金属元素的高热电性能杂化材料。

文献链接：Ultrahigh thermoelectric performance in Cu2Se-based hybrid materials with highly dispersed molecular CNTs(Energ. Environ. Sci., 2017, DOI: 10.1039/c7ee01737e)

本文由材料人编辑部朱喜月编译，赵飞龙审核，点我加入材料人编辑部。

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